JP2014211342A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種制御機器や自動車エンジン制御、サスペンション制御などに使用される圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor used for various control devices, automobile engine control, suspension control, and the like.
従来のこの種の圧力センサは、図6〜図8に示すように構成されていた。 Conventional pressure sensors of this type are configured as shown in FIGS.
以下、従来の圧力センサについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a conventional pressure sensor will be described with reference to the drawings.
図6は従来の圧力センサの斜視図、図7は従来の圧力センサの側断面図、図8は従来の圧力センサの上面図である。 6 is a perspective view of a conventional pressure sensor, FIG. 7 is a side sectional view of the conventional pressure sensor, and FIG. 8 is a top view of the conventional pressure sensor.
図6〜図8に示すように、従来の圧力センサはSUS630からなる容器1を有している。この容器1は、中空孔2を内側に設けた筒部3と、この筒部3における中空孔2の上部を閉塞する平板部4とを設けている。また、容器1における筒部3には外方へ突出するようにフランジ5を設けており、さらにこのフランジ5の略中央には全周にわたって切欠6を設けている。容器1の上面に歪検出素子7が貼着され、平板部4の上方に位置して両持梁からなる第1の振動子8を設けている。そして、第1の振動子8の上面には、Pt、PZT、Auを積層して構成された第1の駆動部9及び第1の検出部10を設けている。また、歪検出素子7には、筒部3の上方に位置して、両持梁からなる第2の振動子11を設けている。そして、第2の振動子11の上面には、Pt、PZT、Auを積層して構成された第2の駆動部12及び第2の検出部13を設けている。そしてまた、歪検出素子7には、Auからなる配線パターン14を設けており、この配線パターン14は第1の振動子8における第1の駆動部9及び第1の検出部10、さらには、第2の振動子11における第2の駆動部12及び第2の検出部13に電気的に接続されている。また、歪検出素子7にはICからなる処理回路15を設けており、この処理回路15は配線パターン14を介して第1の振動子8における第1の駆動部9及び第2の振動子11における第2の駆動部12に駆動信号を入力して、第1の振動子8及び第2の振動子11を振動駆動するとともに、第1の振動子8における第1の検出部10及び第2の振動子11における第2の検出部13からの出力信号を処理することにより、第1の振動子8及び第2の振動子11の固有振動数を検出している。
As shown in FIGS. 6 to 8, the conventional pressure sensor has a
このような従来の圧力センサにおいて、取り付け部材に取着するときに生じる歪が歪検出素子に伝達することにより歪み検出精度が低下するという課題が有った。これに対し、従来の圧力センサ20は図9に示すように、平板部24に第1の振動子8と第2の振動子11を備えた容器21における筒部23から外方へ向かって突出するようにフランジ25を設けるとともに、このフランジ25に全周にわたって溝26を設けている。この構成によれば、筒部23から外方へ向かって突出するようにフランジ25を設けるとともに、このフランジ25に溝26を設けたため、圧力センサを相手側取付け部材28に取着する際に生じる応力が第1の振動子8及び第2の振動子11に伝達されることを防止できることとなり、これにより、中空孔22に充填された被検出液体29の圧力のみを第1の振動子8により検出する構成としている。そしてまた、フランジ25に段差部27を設けたため、段差部27の端部18と溝26の頂点19を中心に2段階にフランジが変形することとなり、その結果、圧力センサを相手側取付け部材28に取着する際に生じる応力をさらに吸収するから、中空孔22に充填された被検出液体29の圧力のみを第1の振動子8により検出する構成としている(特許文献1)。
In such a conventional pressure sensor, there is a problem that the strain detection accuracy is lowered by transmitting the strain generated when attached to the mounting member to the strain detection element. On the other hand, as shown in FIG. 9, the
しかしながら、特許文献1に示される上記従来の構成の圧力センサはフランジや段差部を設けることによって圧力センサを取付け部材に取着する際に生じる応力を吸収する構成としていたが、十分に応力を吸収することが出来ず、圧力センサを取付け部材に取着することにより応力が発生し、歪検出素子に歪みが伝達していた。
However, the pressure sensor having the above-described conventional configuration disclosed in
そこで、本発明は取付け部材に圧力センサを取着する際の伝達歪みをさらに低減し、圧力の検出精度を向上した圧力センサを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a pressure sensor that further reduces transmission distortion when a pressure sensor is attached to a mounting member, and improves pressure detection accuracy.
上記課題を解決するために本発明は、底面と高さ方向に延在した側面を有する筒状の容器と、前記底面または前記側面に設けられた歪検出素子を有し、前記容器は、前記底面の反対側に設けられた嵌合部と、前記嵌合部と前記歪検出素子との間に設けられたフランジを有し、前記フランジは前記側面と接する第1の部分と前記第1の部分より外側に位置する第2の部分を有し、前記底面から前記第1の部分までの第1の高さは前記底面から前記第2の部分までの第2の高さよりも高い構成とした。 In order to solve the above problems, the present invention has a cylindrical container having a bottom surface and a side surface extending in the height direction, and a strain detection element provided on the bottom surface or the side surface, A fitting portion provided on the opposite side of the bottom surface; and a flange provided between the fitting portion and the strain detection element, wherein the flange is in contact with the first portion and the first portion. A second portion located outside the portion, wherein a first height from the bottom surface to the first portion is higher than a second height from the bottom surface to the second portion. .
上記構成により本発明は、容器の底面からフランジの第1の部分までの高さを容器の底面からフランジの第2の部分までの高さよりも高くしたことにより、圧力センサを取り付け部材に取着する際に歪検出素子に伝達する歪みを低減することが出来るため、圧力センサの検出精度を向上することが出来る。 With the above configuration, the present invention attaches the pressure sensor to the mounting member by making the height from the bottom surface of the container to the first portion of the flange higher than the height from the bottom surface of the container to the second portion of the flange. Since the strain transmitted to the strain detection element can be reduced, the detection accuracy of the pressure sensor can be improved.
本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の一実施の形態において、同じ構成を示すものには同じ符号を付してある。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment of the present invention, components having the same configuration are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の一実施の形態の圧力センサ30の斜視図、図2は同圧力センサ30の側断面図、図3は同圧力センサ30の側面図である。
FIG. 1 is a perspective view of a
図1、図2、図3に示すように、本発明の一実施の形態の圧力センサ30は金属やプラスチック等の材料からなり、底面31と高さ方向(Y軸方向)に延在した側面32を有した容器33が設けられている。容器33は、側面32にY軸方向と略直交した方向(X軸方向)の厚みが側面32よりも厚い厚肉部34が設けられ、厚肉部34の一部にはY軸方向に延在した平坦部36が設けられ、平坦部36には容器33に生じた歪みを検出する歪検出素子37が設けられている。容器33は、底面31の反対側に嵌合部35を有し、嵌合部35と歪検出素子37との間にフランジ38が設けられており、フランジ38は側面32と接した第1の部分39と、第1の部分39よりもX軸方向に外側に位置する第2の部分40と、第2の部分40よりもX軸方向に外側に位置する第3の部分41を有しており、底面から第1の部分39までの第1の高さL1は底面31から第2の部分40までの第2の高さL2よりも高く、底面31から第2の部分40までの第2の高さL2は底面31から第3の部分41までの第3の高さL3よりも低くなっている。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, a
歪検出素子37は、X軸方向に延在した両持梁からなる第1の振動子42が設けられている。この第1の振動子42の上面には、Pt、PZT、Auを積層して構成された第1の駆動部43及び第1の検出部44が設けられている。また、歪検出素子37には両持梁からなる第2の振動子45がY軸方向に設けられており、第2の振動子45の上面には、Pt、PZT、Auを積層して構成された第2の駆動部46及び第2の検出部47が設けられている。そして、歪検出素子37には、Auからなる配線パターン48が設けられており、この配線パターン48は第1の振動子42における第1の駆動部43及び第1の検出部44、さらには、第2の振動子45における第2の駆動部46及び第2の検出部47に電気的に接続されている。また、歪検出素子37にはICからなる処理回路49を設けており、この処理回路49は配線パターン48を介して第1の振動子42における第1の駆動部43及び第2の振動子45における第2の駆動部46に駆動信号を入力して、第1の振動子42及び第2の振動子45を振動駆動するとともに、第1の振動子42における第1の検出部44及び第2の振動子45における第2の検出部47からの出力信号を処理することにより、第1の振動子42及び第2の振動子45の固有振動数を検出している。
The
以上のように構成された本発明の実施の形態1における圧力センサ30について、次にその動作を説明する。
Next, the operation of the
処理回路49から第1の振動子42における第1の駆動部43に、第1の振動子42の固有振動数faと略同一の周波数の交流電圧を印加するとともに、第2の振動子45における第2の駆動部46に、第2の振動子45の固有振動数fbと略同一の周波数の交流電圧を印加する。そうすると、第1の振動子42は固有振動数faで弦振動し、第2の振動子45は固有振動数fbで弦振動する。この状態において、第1の振動子42における第1の検出部44からの出力信号を処理回路49により処理すると振動数faが検出され、同様に、第2の振動子45における第2の検出部47からは振動数fbが検出される。
An alternating voltage having substantially the same frequency as the natural frequency fa of the
圧力センサ30はその内部に被検出液体を充填し、被検出液体の圧力が上昇すると外側に向かって容器33が歪む。このとき、歪検出素子37が設けられた平坦面36が外方へ膨らみ、歪検出素子37に引張荷重が作用する。これにより、歪検出素子37における第1の振動子42の振動数faは増加するため、第1の振動子42の第1の検出部44からの出力信号を処理回路49により処理することで、周波数の変化量として、容器33に充填された被検出液体の圧力を検出することができる。
The
また、第2の振動子45の振動数fbについても第1の振動子42と同様に、容器33の内部に充填された被検出液体の圧力が上昇したときに歪検出素子37に作用する引張荷重に従い、第2の振動子45の振動数fbが増加する。したがって、第2の振動子45の第2の検出部47からの出力信号を処理回路49により処理することにより、周波数の変化量として、容器33に充填された被検出液体の圧力を検出することができる。
Similarly to the
ここで、圧力センサ30の周囲の温度が変化して第1の振動子42の固有振動数が変化する場合を考えると、本発明の一実施の形態における圧力センサ30においては、第2の振動子45の固有振動数の変化を検出することにより、圧力センサ30の周囲の温度変化を検出することができる。このため、第1の振動子42から検出した圧力に応じた出力信号値から、温度変化により発生する出力信号の変動量を補正することができるという作用効果を有する。
Here, considering the case where the temperature around the
次に、本発明の一実施の形態の圧力センサ30の組立方法とその効果を図面を用いて説明する。
Next, a method for assembling the
まず、容器33は、棒材(図示せず)を準備し、この棒材(図示せず)を切削することにより、容器33に中空孔及び平坦部36を形成する。
First, the
次に、歪検出素子37は、半導体基板(図示せず)の上面に、Auからなる配線パターン48を蒸着した後、第1の振動子42の第1の駆動部43、第1の検出部44及び第2の振動子45の第2の駆動部46、第2の検出部47を設ける箇所にPtを蒸着する。
Next, the
次に、Ptの上面にPZTを蒸着した後にAuを蒸着し、第1の振動子42の上面に第1の駆動部43及び第1の検出部44を形成すると同時に、第2の振動子45の上面に第2の駆動部46及び第2の検出部47を形成する。
Next, PZT is vapor-deposited on the upper surface of Pt, and then Au is vapor-deposited to form the
次に、半導体基板(図示せず)の上面にICからなる処理回路49を載置して、処理回路49を第1の振動子42における第1の駆動部43、第1の検出部44及び第2の振動子45における第2の駆動部46及び第2の検出部47と配線パターン48により電気的に接続し、歪検出素子37を形成する。
Next, a processing circuit 49 made of an IC is placed on the upper surface of a semiconductor substrate (not shown), and the processing circuit 49 is placed in the
最後に、歪検出素子37を容器33における平坦部36に貼着することにより、圧力センサ30を形成する。
Finally, the
図4(a)、(b)は圧入のときに圧力センサ30にかかる応力を示している。図4(a)は圧入時の圧力センサ30の側断面図、図4(b)は圧入後の圧力センサの側断面図である。上記のようにして組み立てられた圧力センサ30は孔50が設けられた取付け部材51に圧入される。
4A and 4B show the stress applied to the
圧力センサ30は圧入時と圧入後で夫々、図4(a)、図4(b)に示すような応力Fが容器33にかかる。嵌合部35を孔50に圧入する圧力センサ30の圧入時には図4(a)で示すように、応力Fにより嵌合部35に対してY軸方向に応力f1がかかり、この応力f1がフランジ38を伝達し、側面32に対し外側に向かって応力f2が発生する。また、圧力センサ30を取付け部材51に圧入した後では、図4(b)に示すように、嵌合部35に対し取付け部材51から嵌合部35の内側に向かって応力f3がかかる。この応力f3がフランジ38を伝達し、側面32に対し外側に向かってかかる応力f4が発生する。
In the
このように、側面32に応力f2、f4がかかることにより、この応力f2、f4が基点52から側面32を伝達し、歪検出素子37が設けられた平坦部36を変形させると、歪検出素子37に常に歪みがかかっている状態になるため、圧力センサ30の圧力の検出精度が低下する。
As described above, when the stresses f2 and f4 are applied to the
ここで、本発明の一実施の形態における圧力センサ30は、底面31から第1の部分39までの第1の高さL1を底面から第2の部分40までの第2の高さL2よりも距離L高い構成としていることにより、図9に示すような第1の高さと第2の高さが等しい従来の圧力センサに比べ、距離Lだけ歪検出素子37から基点52までの距離が長くなる。これにより、本発明の一実施の形態の圧力センサ30は距離Lだけ従来の圧力センサに比べて歪検出素子37への歪みの伝達を抑制することができる。
Here, in the
また、本発明の一実施の形態の圧力センサ30は、底面31から第2の部分40までの第2の高さL2は底面31から第3の部分41までの第3の高さL3よりも低くなっていることにより、フランジ38の第2の部分40の剛性がフランジ38の第3の部分41の剛性よりも高くなっており、応力f1、f3がフランジ38を伝達するときに、第2の部分40と第3の部分41の剛性が異なることにより、第2の部分40に外側に向かって応力がかかる。これにより、第2の部分40で基点52への伝達応力が吸収されるため、基点52にかかる応力f2、f4が低減される。このため、圧力センサ30を取付け部材51に圧入するときの歪検出素子37への伝達歪みを低減することができる。
In the
また、本発明の一実施の形態における歪検出素子37にかかる応力を測定したところ、従来の構造における歪検出素子にかかる応力に対して95.5%低減できており、本発明の一実施の形態により歪検出素子37への伝達歪を低減することができたことが確認された。
Further, when the stress applied to the
また、本発明の一実施の形態において、圧力センサ30は厚肉部34を備え、この厚肉部に平坦部36を形成して素子を実装していることにより、圧力センサ30を取付けやすくなり、さらに、切削量が低減できるため、より安価に圧力センサ30を組み立てることができる。
Further, in one embodiment of the present invention, the
また、図5に示すように厚肉部34を歪検出素子37とフランジ38の間に設けてもよい。このような構成とすることにより、伝達歪は容器33の表面を伝達するため、基点から歪検出素子37までの距離を長くすることができるため、さらに伝達歪を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 5, a
なお、本発明の一実施の形態において、歪検出素子37は平坦部36に設けられているが、底面31に設けられてもよい。
In the embodiment of the present invention, the
本発明の圧力センサは、感度が高く特性の向上した圧力センサの加工精度を向上させることができるという効果を有するため、特に、各種制御機器や自動車エンジン制御、サスペンション制御などに使用される圧力センサにおいて有用である。 The pressure sensor of the present invention has an effect that the processing accuracy of the pressure sensor having high sensitivity and improved characteristics can be improved, and therefore, the pressure sensor used for various control devices, automobile engine control, suspension control, etc. Useful in.
30 圧力センサ
31 底面
32 側面
33 容器
34 厚肉部
35 嵌合部
36 平坦部
37 歪検出素子
38 フランジ
39 第1の部分
40 第2の部分
41 第3の部分
42 第1の振動子
43 第1の駆動部
44 第1の検出部
45 第2の振動子
46 第2の駆動部
47 第2の検出部
48 配線パターン
49 処理回路
50 孔
51 取付け部材
52 基点
30
Claims (7)
前記底面または前記側面に設けられた前記容器にかかる圧力を検出する歪検出素子を有し、
前記容器は、前記底面の反対側に設けられた嵌合部と、前記嵌合部と前記歪検出素子との間に設けられたフランジを有し、
前記フランジは前記側面と接する第1の部分と前記第1の部分より外側に位置する第2の部分を有し、
前記底面から前記第1の部分までの第1の高さは前記底面から前記第2の部分までの第2の高さよりも高いことを特徴とする圧力センサ。 A cylindrical container having a bottom surface and a side surface extending in the height direction;
A strain detecting element for detecting pressure applied to the container provided on the bottom surface or the side surface;
The container has a fitting portion provided on the opposite side of the bottom surface, and a flange provided between the fitting portion and the strain detection element,
The flange has a first portion in contact with the side surface and a second portion located outside the first portion;
The pressure sensor according to claim 1, wherein a first height from the bottom surface to the first portion is higher than a second height from the bottom surface to the second portion.
前記底面から前記第3の部分までの第3の高さは前記第2の高さよりも高いことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 The flange has a third portion located outside the second portion;
2. The pressure sensor according to claim 1, wherein a third height from the bottom surface to the third portion is higher than the second height.
前記薄肉部の前記高さ方向と直交する方向の厚みは、前記厚肉部の厚みより薄いことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 The side surface has a thick part and a thin part,
The pressure sensor according to claim 1, wherein a thickness of the thin portion in a direction orthogonal to the height direction is smaller than a thickness of the thick portion.
第1の振動子と、
前記第1の振動子を駆動する第1の駆動部と、
前記第1の振動子の固有振動数の変化に応じた信号を出力する第1の検出部を有していることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 The strain detecting element is
A first vibrator;
A first drive unit for driving the first vibrator;
The pressure sensor according to claim 1, further comprising a first detection unit that outputs a signal corresponding to a change in the natural frequency of the first vibrator.
第2の振動子と、
前記第2の振動子を駆動する第2の駆動部と、
前記第2の振動子の固有振動数の変化に応じた信号を出力する第2の検出部を有し、
前記第2の振動子は前記第1の振動子と略直交する方向に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 The strain detecting element is
A second vibrator;
A second drive unit for driving the second vibrator;
A second detector that outputs a signal according to a change in the natural frequency of the second vibrator;
The pressure sensor according to claim 1, wherein the second vibrator is formed in a direction substantially orthogonal to the first vibrator.
前記第1の検出部と前記第2の検出部から出力された信号に基づいて前記振動子の振動数の変化を検出する処理回路を有し、
前記処理回路の検出結果に基づいて歪を検出することを特徴とする請求項6に記載の圧力センサ。 The strain detecting element is
A processing circuit that detects a change in the vibration frequency of the vibrator based on signals output from the first detection unit and the second detection unit;
The pressure sensor according to claim 6, wherein distortion is detected based on a detection result of the processing circuit.
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